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人类仍在进化:从基因看自然选择的现代印记

2005-12-05 08:38 未知 未知 阅读 0
核心摘要: 本文探讨人类是否仍在进化,通过分析多个基因(如ASPM、microcephalin、FOXP2、乳糖酶基因、CCR5和H2)在近期经历自然选择的证据,说明人类基因组中留下了选择的印记。文章指出,尽管现代科技和文化削弱了自然选择压力,但在某些地区(如非洲)传染病仍驱动基因频率变化。未来进化方向不确定,但资源消耗和气候变化可能重新激活选择压力。

自从达尔文发表《物种起源》以来,进化论已成为统一生物学各分支的伟大学说。推动生物进化的动力是基因突变和自然选择,某种突变如果能为个体带来繁殖或生存优势,就会在该个体所属的种群中蔓延。科学家一直在寻找自然选择在人类基因组中留下的印记,从而了解塑造人类的最终力量。但由于人类的大规模迁移、种群的收缩或扩张,以及不同文化中的婚配取向等,都会在基因组中留下痕迹,使得自然选择造成的基因组变化难以区分。直到今天,只有少数人类基因被确认在人类诞生后经历过或仍在经历自然选择。但这种情况正在改变:高效的DNA测序方法和完整的人类基因组序列为研究提供了有力工具,越来越多的基因被确认经历了选择。

大脑基因的自然选择:人类之所以成为万物之灵,是因为拥有很大的脑容量。2005年《科学》杂志报道了ASPM和microcephalin两个基因,它们的突变会导致脑容量大幅减小(微脑症)。芝加哥大学的人类遗传学家蓝(Bruce Lahn)领导的小组测定了90个代表全球不同种族的人的DNA序列,发现被自然选择看好的microcephalin基因出现在约3.7万年前(可能范围1.4万至6万年),与象形文字在欧洲大量涌现的时期吻合;而ASPM更近,出现在约5800年前(500至1.4万年),与城市在远东的崛起同步。ASPM如此新的基因在全球广泛分布,提示它可能为认知提供了优势而受到强烈选择。进一步分析1184个个体发现,这些基因在不同种族中分布有差异:microcephalin基因出现在75%以上的意大利人、俄罗斯人和中国汉族人,几乎100%的哥伦比亚人中,而仅出现于30%的坦桑尼亚和少于10%的喀麦隆和纳米比亚的一些种族。但需注意,拥有这两个基因并不一定让人聪明,它们可能只是众多控制智力的基因中的两个,对其种族差异作过度解释是危险的。

语言基因FOXP2:某些基因产生于人类进化史上的关键时期,例如FOXP2语言基因。2002年,牛津大学的莫诺克(Anthony Monaco)研究组和伦敦儿童健康研究所的维加-哈德姆(Faraneh Vargha-Khadem)等人发现,FOXP2基因的突变会导致语言能力障碍,如口齿不清、无法区分基本音节、不能理解语法和句子等。同年,德国马普学会进化人类学研究所的帕博(Svante Paabo)研究组对几种灵长类和小鼠的FOXP2基因进行测序并与人类比较,结果表明:从约7000万年前人类和老鼠的共同祖先至今,该基因编码的蛋白质只有3个氨基酸发生变化,其中两个发生在约600万年内(人猿分离后)。直到200万年前或更晚,该基因才演变为现代人类版本,而人属动物出现的时间也在200万年前。拥有这种基因的人属动物可能有进化优势,因为FOXP2经历了很强的选择压力,几近完美。因此,人类生来就有语言能力,完善的语言能力可能推动了现代人类的出现和扩张。

乳糖酶基因与牛奶消化:许多成人不能喝牛奶,因为他们几乎不合成乳糖酶,无法分解乳糖。非洲撒哈拉以南及东南亚地区许多成人喝牛奶会导致腹泻,但大部分欧洲人没有这个问题。2004年,哈佛医学院的基因组学家赫塞豪恩(Joel Hirschhorn)及其研究组在人类基因组中发现了一个含有乳糖酶基因的DNA大片段(100万个碱基对),携带者能分泌乳糖酶从而消化牛奶中的乳糖。几乎80%的欧洲人和有欧洲血统的美国人都携带该片段,而大部分中国人及非洲南部的班图族人却没有。由于该片段长度不一般,推断其产生时间并不久远(未被基因重组打断);计算显示,在过去的5000至10000年间,该片段经历了相当强的选择作用,而乳牛的养殖也大致始于那个时期。这是人类基因组近期进化的经典例子。

抗病基因:疟疾与艾滋病:在非洲,每天有成千上万人死于传染病(如疟疾和艾滋病),某些人拥有增强免疫力的基因,从而逃脱死神追捕,留下较多后代,使这些基因在种群中传播。很多基因的突变型能提供对疟疾的抵抗力,例如G6PD基因的两种突变型A-和med。2001年,美国马里兰大学的遗传学家提史科夫(Sarah Tishkoff)和同事利用G6PD基因的地理分布差异,估测突变型A-在6300年前产生于非洲,并很快传遍大陆;而分布于南欧、中东及印度的突变型med,约3300年历史。这些估计与考古学事实一致:疟疾流行始于农业产生后,人们砍伐森林获得农田,接触到了疟蚊。抗艾滋病的基因同样受自然选择青睐,但选择优势会随时间改变。艾滋病毒通过细胞表面CCR5受体感染免疫细胞。1990年代中期,编码CCR5基因的一个突变型delta32引起注意:其纯合体对艾滋病毒有很强抵抗力。该突变型在欧洲人群中约占13%,但在世界其他地区罕见。研究者认为它产生于700年前,并推测黑死病或天花推动了其传播,该推断在2001年得到统计学支持。

生殖力基因H2:提高生殖力是自然选择最关心的事。冰岛科学家发现,某些人的17号染色体上存在突变:一个长约90万个碱基对的DNA片段发生倒位,与一种名为H2的DNA片段相联系。H2约产生于300万年前,冰岛携带者比例为17.5%,欧洲为21%,非洲和亚洲分别只有6%和1%。为何H2在欧洲有如此高的比例?通过对几万个冰岛人的基因测序及家系数据库查询,科学家发现女性H2携带者的子女数量比非携带者高3.5%(2005年《自然遗传》杂志),证明H2确实能提高生殖力,因而可能经历了自然选择。然而H2仅普及于欧洲,其优势为何局限于欧洲仍是未解之谜。

未来进化方向:由于选择作用近期在人类基因组中留下了印记,许多科学家认为人类仍在进化,尽管方式可能已变得微妙。但提到未来进化方向,大多数研究者十分谨慎。例如,科学家预测在艾滋病流行地区(尤其是非洲),CCR5突变型可能会变得非常普遍。桑格研究所的遗传学家泰勒-史密斯(Chris Tyler-Smith)说:“如果对艾滋病的治疗没有显著进展,会有越来越多的人死亡;自然选择会借此提高突变型在人群中的比例。”他认为增强抵抗力的突变型完全可能取得支配地位。然而,类似格局能否影响未来人类的结构、生理特征甚至生活方式,则另当别论。实际上,由于文化、科技尤其是医药的进步,自然选择几乎已从工业社会中消失,能够抹杀携带不良基因个体的外在压力不复存在;在发展中国家,自然选择确实仍维持着威严,但要使人类基因库组成发生显著改变,需要相当长的时间和稳定的选择压力,而这一切已被人类社会疯狂的变化速度冲刷干净。在某种意义上,人类已经止步不前。但一些研究者认为新一轮自然选择会再度降临。例如,爱丁堡大学的进化遗传学家凯特利(Peter Keightley)指出,人类维持低强度选择压力的局面是暂时的,随着资源消耗、人口激增、气候剧变,我们将面临极大困境,从而不得不接受自然选择。尽管不少人对此表示忧虑,大多数科学家对这种预言并不太感兴趣。“进化并没有什么明确的目标,”泰勒-史密斯说,“进化只有短期计划,它只关注如何让当前一代的个体存活并繁衍得更好。”现在预测人类进化的未来,比用水晶球算命好不了多少——比起科学研究,或许更适合科幻小说。

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